Ein Fenster für die Sonnenenergie

Durchsichtige Elektroden aus Graphen könnten Solarzellen preiswerter und effizienter machen

29.06.2009 - Deutschland

Im Prinzip reicht es, mit einem Graphitstift auf Papier zu kritzeln. Das bringt schon stapelweise Graphen aufs Papier, einzelne Schichten von Kohlenstoffatomen, die in einer wabenartigen Gitterstruktur angeordnet sind. Graphen, ein zweidimensionaler Kristall, leitet Elektrizität und damit Wärme erstaunlich gut und gilt deshalb als vielversprechendes Material für immer kleiner werdende Elektronikkomponenten und für die Optoelektronik, die Information mit einer Kombination der herkömmlichen Elektronik und Licht verarbeitet.

Kein Wunder, dass Wissenschaftler weltweit an Methoden zur Graphenherstellung arbeiten. Kritzeln mit Graphitstiften bringt sie jedoch nicht weiter: Dieses Verfahren können sie nicht gut genug kontrollieren, und die entstehenden Graphenschichten sind zu dick. Wissenschaftler um Klaus Müllen, Direktor am Max-Planck-Institut für Polymerforschung in Mainz, haben daher andere Methoden patentiert, unter anderem das Pyrolyse-Verfahren. Hierbei erwärmen die Wissenschaftler auf einer Trägerschicht aus Glas Moleküle, die in ihrem Kern bereits kleine Graphenscheiben enthalten, zusätzlich aber noch Arme aus Kohlenwasserstoffketten tragen. Diese Moleküle verschmelzen in der Hitze zu einem durchsichtigen Film aus Kohlenstoff.

"Wir können diese Filme mittlerweile unter zehn Nanometer dick machen, das sind 30 Atomschichten. Und sie sind atomar glatt", sagt Müllen. Das so erzeugte Graphen könnte in Zukunft als Ersatz für Indiumzinnoxid zum Einsatz kommen.

Indiumzinnoxid dient in Solarzellen als durchsichtige Elektrode, an der der erzeugte Strom, vergleichbar mit dem elektrischen Pol einer Batterie, abgegriffen wird. "Indiumzinnoxid hat zwar die ideale Kombination aus elektrischer Leitfähigkeit und Transparenz, die man für Fensterelektroden in Solarzellen braucht", sagt Müllen. Aber es habe auch Nachteile: Da der Rohstoff Indium begrenzt sei, werde das heute übliche Material immer teurer, zudem weise der Stoff eine gewisse Oberflächenrauhigkeit auf.

"Unser Graphen ist glatt; das verhindert hohe lokale elektrische Felder, die den elektrischen Ladungstransport an der Oberfläche behindern", erklärt der Max- Planck-Wissenschaftler. Und Graphen könnte Solarzellen auch effizienter machen. Anders als das hergebrachte Indiumzinnoxid ist es auch für einen bestimmten Anteil des infraroten Sonnenlichts durchsichtig, das etwa die Hälfte der Sonneneinstrahlung auf der Erde ausmacht. Ihre Vorteile haben die Fensterelektroden aus Graphen auch schon am Objekt ausgespielt. Zu Testzwecken haben die Mainzer Forscher damit nämlich bereits erste Solarzellen gebaut.

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